壓縮機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)

應(yīng)用領(lǐng)域：產(chǎn)品測(cè)試
使用的產(chǎn)品：LabVIEW、DAQ、SCXI
挑戰(zhàn)：
用基于計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)代替手工操作，提高自動(dòng)化水平，改善工作條件，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確、可靠。
應(yīng)用方案：
以NI公司的LabVIEW軟件、DAQ卡、SCXI卡和現(xiàn)有的變送器等構(gòu)成一套基于PC的壓縮機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
介紹：
壓縮機(jī)是一種工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的機(jī)械設(shè)備。這種機(jī)械依靠在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞或作旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的作用，使吸入氣體的體積縮小而提高壓力，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。這種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除機(jī)械、電氣部分外，還有氣、油、水等多種回路。為了保證和提高壓縮機(jī)的質(zhì)量，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試是一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。但是到目前為止，這項(xiàng)工作基本上是以手工為主進(jìn)行的。因此，工作效率低、勞動(dòng)條件差，測(cè)試結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性也不高。少數(shù)單位開(kāi)發(fā)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，不過(guò)，并沒(méi)有很好地用上去，或者，測(cè)點(diǎn)少，功能不強(qiáng)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀提出一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方案。

1 總體結(jié)構(gòu)
本文介紹的測(cè)試系統(tǒng)由帶有PCI總線(xiàn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、NI公司的LabVIEW軟件、1塊DAQ采集卡、9塊SCXI調(diào)理卡（1塊SCXI-1121、7塊SCXI-1125、1塊SCXI-1162）、1臺(tái)12槽機(jī)箱SCXI-1001和溫度、壓力、流量變送器等構(gòu)成（圖1）。在計(jì)算機(jī)的控制之下，按照國(guó)標(biāo)《一般用容積式空氣壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB3853）的規(guī)定，測(cè)定單級(jí)和兩級(jí)壓縮的壓縮機(jī)性能，繪制特性曲線(xiàn)，打印試驗(yàn)報(bào)告。

測(cè)試系統(tǒng)采集的參數(shù)有：吸氣溫度、壓力；排氣溫度、壓力；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、軸功率；強(qiáng)電系統(tǒng)的電壓、電流、功率；冷卻水的溫度、壓力、流量；供油系統(tǒng)的壓力、溫度等。與此同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)還通過(guò)輸出控制電路對(duì)機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。
2 信號(hào)I/O和調(diào)理
按照試驗(yàn)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)溫范圍為0~200℃，測(cè)量吸入/排出空氣溫度和冷卻水溫的誤差≤±0.2℃，測(cè)量油溫的誤差≤±1℃。為滿(mǎn)足要求，將被測(cè)溫度經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Pt100等轉(zhuǎn)變?yōu)?00.00~176.00Ω的電阻或4~20mA的電流，送SCXI-1121和SCXI-1125調(diào)節(jié)，然后輸入PCI-MIO-16E-4 DAQ卡。
SCXI-1121有4個(gè)隔離的輸入通道，每個(gè)通道都帶有激勵(lì)源。測(cè)試系統(tǒng)利用它提供的0.15mA精密（準(zhǔn)確度為±0.04%）恒定電流，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的電壓信號(hào)，以四線(xiàn)制方式測(cè)出此電壓；經(jīng)隔離、放大、抗噪音濾波后（以適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境），送DAQ。
SCXI-1125有8個(gè)隔離的輸入通道。在輸入端子SCXI-1138（含有249Ω的精密電阻）的配合下，將變送器輸出的4~20mA電流轉(zhuǎn)變?yōu)?~5V電壓，以讀數(shù)的0.08%精度對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)量吸排壓力的誤差小于±0.4%即可（測(cè)量油壓的誤差小于±2%），故SCXI-1125也用來(lái)測(cè)量氣壓、油壓（已由變送器變換為4~20mA電流）。此外，SCXI-1125的5V輸入通道還用來(lái)測(cè)量經(jīng)互感器和變送器變換的交流電流、交流電壓和功率（精度要求為±0.5%）等強(qiáng)電電量。
各塊SCXI卡的輸出分別接入具有16個(gè)單端模擬輸入通道的PCI-MIO-16E-4 DAQ卡的不同通道。DAQ卡可以高達(dá)250kS/s的采樣速率采樣，5V量程時(shí)的測(cè)量精度為讀數(shù)的0.07%。在各輸入模塊的配合之下，完全滿(mǎn)足了動(dòng)態(tài)測(cè)試、“同時(shí)讀取”工況參數(shù)和較高的測(cè)量精度要求。此外，這種DAQ卡還帶有2個(gè)模擬輸出口，8個(gè)數(shù)字I/O口等。
壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入扭矩用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，冷卻水的流量經(jīng)流量變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后經(jīng)過(guò)具有32個(gè)輸入通道且以光耦隔離的SCXI-1162卡也送入DAQ卡測(cè)量。
DAQ的數(shù)字I/O口除用于輸入測(cè)量外，還通過(guò)輸出控制電路控制配電柜的繼電器、接觸器的通斷；而它的模擬輸出部分則通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換及相關(guān)電路向閥門(mén)定位器輸出4~20mA電流，控制閥門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)流過(guò)的水量或氣體壓力。
3 試驗(yàn)流程和程序
測(cè)試壓縮機(jī)性能的程序用LabVIEW圖形化編程環(huán)境編制，利用它的模塊化、層次化結(jié)構(gòu)，工程技術(shù)人員在幾周內(nèi)即可構(gòu)成或基本構(gòu)成要求的測(cè)試系統(tǒng)。這種解決方案直觀、簡(jiǎn)單易學(xué)，使用起來(lái)也不復(fù)雜。在本系統(tǒng)中，測(cè)試程序大致由試驗(yàn)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、文件管理模塊和報(bào)警模塊等構(gòu)成。軟件程序借助于DAQ卡采集被測(cè)量和控制試驗(yàn)的進(jìn)行。利用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器（圖形化軟面板）等進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)。軟件的主要功能與試驗(yàn)流程（圖2）相對(duì)應(yīng)：

1.運(yùn)行試驗(yàn)管理模塊，按照試驗(yàn)要求和GB3853標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)定，輸入試驗(yàn)的類(lèi)型、試驗(yàn)的項(xiàng)目、額定參數(shù)、規(guī)定的工況參數(shù)、試驗(yàn)條件和硬件配置等。
2.運(yùn)行采集和控制等模塊，起動(dòng)機(jī)組預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)，掃描軸承、機(jī)殼等部位的溫度，考核零部件的配合情況，判斷機(jī)組能否平穩(wěn)運(yùn)行。
3.機(jī)組能平穩(wěn)運(yùn)行則轉(zhuǎn)入下一步，按GB3853的要求，將運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，如冷卻水溫、總壓力比、主軸轉(zhuǎn)速等，調(diào)整（測(cè)量、計(jì)算、比較、調(diào)整）到允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)。
4.在規(guī)定的工況下，測(cè)量吸排氣溫度、壓力，冷卻水溫度、壓力，油系統(tǒng)溫度、壓力、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與軸扭矩等。進(jìn)行常規(guī)性能測(cè)試，處理測(cè)得的數(shù)據(jù)和顯示測(cè)試結(jié)果。
5.調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度和主軸轉(zhuǎn)速等，進(jìn)行超溫、最高許可轉(zhuǎn)速、最高許可壓力等試驗(yàn)?？己藱C(jī)組能否可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。
6.機(jī)組關(guān)機(jī)。運(yùn)行數(shù)據(jù)處理模塊和文件管理模塊等，詳細(xì)分析、處理測(cè)得的數(shù)據(jù)。如，以測(cè)得的溫度、壓力等計(jì)算求得壓縮機(jī)的排氣量，以測(cè)得的轉(zhuǎn)速、扭矩求得軸功率，以排氣量和軸功率求得規(guī)定工況下的比功率；繪制示功圖、氣流脈動(dòng)曲線(xiàn)等；打印試驗(yàn)報(bào)告和將試驗(yàn)文件存檔。
7.壓縮機(jī)試驗(yàn)期間，測(cè)試系統(tǒng)不斷對(duì)其轉(zhuǎn)速、壓縮比、排氣溫度和油溫等進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)越限則立即調(diào)用報(bào)警模塊報(bào)警和強(qiáng)行停車(chē)。
上述以L(fǎng)abVIEW等實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)既可用于產(chǎn)品出廠(chǎng)檢驗(yàn)，又可用于型式試驗(yàn)；既可用于測(cè)點(diǎn)較少的小型產(chǎn)品測(cè)試，又可用于測(cè)點(diǎn)較多的機(jī)組性能測(cè)試。
4 結(jié)束語(yǔ)
LabVIEW是一套專(zhuān)為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程環(huán)境，功能強(qiáng)大、靈活直觀，可大幅度減少傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間；DAQ卡、SCXI卡是以模塊為基礎(chǔ)的硬件，也給系統(tǒng)的組建、變更和維護(hù)帶來(lái)很多方便。可以想像，以L(fǎng)abVIEW和DAQ卡、SCXI卡等構(gòu)成的壓縮機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)肯定會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)許多好處，在行業(yè)中也有較高的推廣價(jià)值。若在硬件中增加新的插卡/機(jī)箱，在軟件中增加新的功能模塊，測(cè)試系統(tǒng)的功能還可進(jìn)一步擴(kuò)展。如，將測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展到幾百點(diǎn)，或同時(shí)測(cè)試多臺(tái)機(jī)組的性能；擴(kuò)大系統(tǒng)的輸出控制功能；分析測(cè)得的數(shù)據(jù)，提出產(chǎn)品改進(jìn)意見(jiàn)或方案；在企業(yè)內(nèi)部或企業(yè)間通信，協(xié)同工作，共享有關(guān)數(shù)據(jù)等。